金属切削原理与刀具：07 第四章 第二节 工件材料切削加工性

1、第一节 切屑控制第二节 工件材料的切削加工性第三节 切削液的选用第四节 已加工表面质量第五节 刀具几何参数的合理选择第六节 切削用量的合理选择第七节 现代切削新技术第四章 切削基本理论的应用第四章 切削基本理论的应用第二节 工件材料的切削加工性本节主要内容：一、切削加工性指标二、影响材料切削加工性的因素三、改善材料切削加工性的途径四、常用材料切削加工性简述工件材料切削加工性 切削加工性的概念和衡量指标（Machinability）概念：在一定的加工条件下工件材料被切削的难易程度。衡量指标： 加工材料性能、相对加工性、刀具寿命、 加工表面质量、切削力 、 断屑性能等3一、切削加工性指标1. 加工

2、材料的性能指标材料加工性能难易程度主要决定于材料结构和金相组织，及具有的物理和力学性能，其中包括材料硬度HBW、抗弯强度b、伸长率、冲击韧度ak和热导率。通常按它们数值的大小来划分加工性等级。4例：45钢 不锈钢1Cr18Ni9TiHBW表4-3 工件材料加工性分级表5以切削45钢，刀具寿命T=60 min 的切削速度 v060 作为标准，在相同条件下，将某种材料的 v60 与 v060 的比值 Kr 称为相对加工性指标，即 一、切削加工性指标2. 相对加工性能指标例如：Kr3为非铁材料；Kr=2.53为易切钢；Kr=0.5为不锈钢、高猛钢、钛合金等难加工材料。6加工性 等级工件材料切削加工性

3、等级材料名称及种类相对加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火15Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢1.62.5正火30钢，b0.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.01.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817难切削材料0.150.550CrV, 调质；1Crl8Ni9Ti, 钛合金

4、8很难切削材料0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金7用刀具寿命高低来衡量被加工材料切削的难易程度。常用 v60 、v20 来表示；在相同加工条件下， v60 与 v20 值越高，材料的切削加工性越好。一、切削加工性指标3. 刀具寿命指标8二、影响材料切削加工性的因素1. 工件材料硬度的影响工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。9二、影响材料切削加工性的因素1. 工件材料硬度的影响金属材料中硬质点对加工性的影响：金

5、属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。（a.硬质点硬度高；b.硬质点使得材料硬度、强度提高）材料的加工硬化对切削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。（奥氏体钢和高锰钢，切削后表面硬度提高1.4-2.2倍）10二、影响材料切削加工性的因素2. 工件材料强度的影响强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。例如：不锈钢及合金钢，常温强度与碳素钢差别不大，但高温强度差别较大。11二、影响材料切削加工性的因素3. 工件材料塑性与韧性的影响材料强度相同的情况下，塑性、韧性大，材料

6、失效前消耗吸收的能量大，使得切削加工性差： 切削力大； 刀具容易产生粘结和扩散磨损； 低速切削时易出现刀瘤与鳞刺； 断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。注意：塑性过大或过小都会使得材料切削性能下降。12二、影响材料切削加工性的因素4. 工件材料导热系数的影响工件材料导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。13二、影响材料切削加工性的因素5. 工件化学成分的影响钢的化学成分的影响铸铁的化学成分的影

7、响C在铸铁中的存在形式有两种：FeC和游离态的石墨。它们决定着铸铁的切削加工性。凡是能促进石墨化的元素：Si，Al，Ni，Cu，Ti都能提高铸铁切削加工性。而Cr、V、Mn、Mo、Co、P、S等会降低铸铁切削加工性。14二、影响材料切削加工性的因素6. 金相组织的影响钢的金相组织主要通过各自的机械性能来影响切削加工性。铁素体、奥氏体的塑性和韧性很高，切削加工性较差；渗碳体、索氏体、马氏体具有较高的硬度和抗拉强度，切削加工性也较差；珠光体的硬度、强度和塑性都比较适中，其切削加工性良好。15一般说来，vc增大，切削加工性变好。二、影响材料切削加工性的因素7. 切削条件的影响 Salomon切削温度

8、与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切削温度/切削适应区非铁金属16二、影响材料切削加工性的因素7. 切削条件的影响1. 工件材料硬度的影响2. 工件材料强度的影响3. 工件材料塑性与韧性的影响4. 工件材料导热系数的影响5. 工件化学成分的影响6. 金相组织的影响17三、改善材料切削加工性的途径(一)调剂工件材料中化学元素和进行热处理1.调整材料的化学成分钢中加硫、铅 等元素，改善组织结构，便于切削；不锈钢中

9、有硒 元素，可改善硬化程度；铸铁中加入铝、铜合金元素，可分解出石墨元素，易于切削。182.进行适当的热处理低、中碳钢 宜选正火处理，均匀组织，调整硬度塑性；高碳钢 宜用球化退火，降低硬度，均匀组织，改善加工性；中碳以上的合金钢 硬度较高，需退火以降低硬度；不锈钢 常要进行调质处理，降低塑性，以便加工；铸铁 需进行退火处理，降低硬度，降低表皮硬度，消除内应力。三、改善材料切削加工性的途径(一)调剂工件材料中化学元素和进行热处理19三、改善材料切削加工性的途径(二)合理选用刀具材料高强度、超高强度钢，益选用耐磨性强的刀具材料；高锰钢，应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料；冷

10、硬铸铁，应选用硬度、强度都好的刀具材料；纯金属，可以用高速钢刀具，也可以用硬质合金刀具；不锈钢和高温合金，一般宜采用YG类硬质合金；钛合金，宜采用YG类合金；20三、改善材料切削加工性的途径(三)其它措施合理选择刀具几何参数；保持切削系统的足够刚性；选用高效切削液及有效浇注方式；采用新的切削加工技术。如加热切削、振动切削等。21四、常用材料切削加工性简述(一)铸铁白口铸铁 硬度高（HBS600)，难切削；灰口铸铁 硬度适中，强度塑性小，切削力较小，但高硬度碳化物对刀具有擦伤，崩碎切屑，切削力、热集中刀刃上且有波动，刀具磨损率并不低，应采用低于加工钢的切削速度；球墨铸铁、可锻铸铁 的强度塑性比灰

11、铁高，但其切削性比灰铸铁要好；工件表面若有硬皮应进行退火处理。22四、常用材料切削加工性简述(二)碳素结构钢碳素结构钢切削加工性取决于含碳量。低碳钢 硬度低，塑韧性高，变形大，断屑难，粘屑，加工表面粗糙，加工性较差；高碳钢 硬度高，塑性低及热导率低，切削力大，温度高，刀具耐用度低，加工性差；中碳钢 性能适中，加工性良好。 23四、常用材料切削加工性简述(三)合金结构钢在碳素结构钢中加入合金元素，如 Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti 等，提高了结构钢的性能，其加工性也随着变化。 24目前，在航空、航天、造船、电站、石油化工以及国防工业中，对零件的性能提出很高的要求，例如耐磨、耐高温、耐

12、腐蚀、耐冲击等。而达到上述要求，一般需要采用高强度合金钢、不锈钢、高锰钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁和高硅铝合金等“难加工材料”。四、常用材料切削加工性简述(四)难加工材料25四、常用材料切削加工性简述(四)难加工材料“难加工材料” 难加工的原因一般是以下几个方面：高硬度；高强度；高塑性和高韧性；低塑性和高脆性；低导热性；有大量微观硬质点或硬夹杂物；化学性质活泼。这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具使用寿命缩短；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；最终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。 261.高强度、超高强度钢的切削加工性 与普通碳素结构

13、钢相比，高强度钢、超高强度钢的强度高，导热系数偏低，故切削力大，切削温度高，刀具磨损快，刀具使用寿命短，断屑稍难。 根据以上特点，必须采用耐磨性强的刀具材料。 一般采用YT类硬质合金，最好是添加钽、铌的牌号。刀具前角应较小，例如车削35CrMnSiAl时，取o -4 -0。在工艺系统刚性允许的情况下，应采用较小的主偏角kr和较大的刀尖圆弧半径r。切削用量，尤其是切削速度，应比加工中碳正火钢时适当降低。尽可能采用切削液与断屑措施以改善切削条件。272.不锈钢的切削加工性 不锈钢切削时的塑性变形大，故切削力大，切削温度高，加工硬化程度高，易与刀具中合金元素亲合，产生粘屑并易形成积屑瘤。断屑困难。刀

14、具上温度高、导热差，使刀具产生粘结磨损和扩散磨损。切削不锈钢应选用高的耐热性、强度和耐磨的刀具材料。 加工不锈钢时，宜采用YG类 (最好添加钽、铌，如YG6A) 或YW类硬质合金，较大前角与中等切削速度。加工奥氏体不锈钢，切削深度和进给量均宜适当加大，避免切削刃和刀尖划过硬化层。283.高锰钢的切削加工性 高锰钢 金相组织为均匀的奥氏体。它的原始硬度虽不甚高，但其塑性和韧性特别高，加工硬化特别严重。切削过程中，工件表面上还会形成高硬度的氧化层。它的导热系数很小，切削温度很高，切削力约比加工45钢时增大60。高锰钢比高强度钢更难加工。 加工高锰钢，应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能

15、好的刀具材料。粗加工时，可采用YG类或YW类硬质合金；精加工时，可采用YTl4、YG6X等硬质合金。从提高切削刃强度和散热条件出发，前角应选小值。但为使切屑变形不致过大，前角又不宜过小。一般，取。-55。切削速度应较低，进给量和背吃刀量均不能过小，以免切削刃或刀尖在上一道工序形成的硬化层中划过而加速刀具的磨损。 294.冷硬铸铁和淬硬钢的切削加工性 冷硬铸铁的硬度极高，是其难加工的主要原因。它的塑性很低，刀屑接触长度很小，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而切削刃很容易崩损。冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，毛坯精度低，因而就进一步加大了加工难度。 加工冷硬铸铁应选用硬度、强度都好

16、的刀具材料，一般均采用细晶粒或超细晶粒的YG类硬质合金。为了提高切削刃和刀尖的强度，一般取。-40，主偏角kr适当减小,刀尖圆弧半径r适当加大。 淬硬钢的组织为回火马氏体，硬度达HRC60以上，塑性和导热系数都很低。其加工性及刀具材料、刀具几何参数的选择基本上与冷硬铸铁相同。对它们进行精加工，可采用CBN刀具。305.纯金属的切削加工性 常用的纯金属如紫铜、纯铝、纯铁等，其硬度、强度都较低，导热系数大，对切削加工有利；但其塑性很高，切屑变形大，刀屑接触长度大并容易发生冷焊，生成积屑瘤，因此切削力较大，不容易获得好的已加工表面质量，断屑困难。此外，它们的线膨胀系数较大，精加工时不易控制工件的加工

17、精度。 加工纯金属，可以用高速钢刀具，也可以用硬质合金刀具。YG或YW类硬质合金可用于加工紫铜、纯铝，YT或YW类硬质合金可用于加工纯铁。应采用大前角和较大的后角（。2535，。112），磨出锋利的切削刃，以减小切屑变形。应尽量采用较高的切削速度和较大的切削深度、进给量，以提高生产率。316.钛合金的切削加工性 1）钛合金特点和分类钛合金有三种基体组织： 钛合金、+ 钛合金、 钛合金。密度小（约为 4.5 g/cm3 ），比钢约小一倍。强度极限高（可达b=0.9811.37GPa），钛合金的比强度（单位重量强度）很高，尤其在高温下比强度仍很高，这一点对航空、航天工业尤为重要。耐热性好，在高达5

18、37时仍有足够的抗拉强度和抗蠕变强度。 耐腐蚀性能好。在550以下，钛表面形成致密的氧化膜 ；对大气、海水及其蒸气以及一些酸、碱、盐介质有高的抗蚀能力。钛在地壳中分布广。含量仅次于铝、铁和镁，占结构金属的第四位。 326.钛合金的切削加工性 2）钛合金的加工特点1）加工时剪切角大，变形系数接近1，钛合金易于氧化生成硬脆相，加剧刀具磨损 ；2）切削温度高，导热系数是碳钢的1/51/6，高温合金的1/21/3 ；3）刀具磨损严重切削温度高；易形成硬质点磨损；易粘结磨损和扩散磨损；背向力较大，易引起振动。336.钛合金的切削加工性 3）改善加工性途径1）不宜选用 YT（P）类硬质合金和TiC、TiN

19、涂层的刀片；适合选用导热性能好的、强度高的细晶粒YG（K）类硬质合金。例如YG3X；YG6X 。 2）适当的刀具角度；选用较低的切削速度，中等偏小的进给量，较大的背吃刀量，以使切削刃在冷硬层下切削。 347.高温合金的切削加工性高温合金按基体元素和金相组织分为铁基、镍基、钴基高温合金。高温合金强度、硬度较高，切削力很大；导热系数小，切削温度很高，刀具磨损加剧。 另外合金中的高硬度化合物构成硬质点，进一步加剧了刀具的磨损；在中、低切削速度下，易与刀具发生冷焊。在高速高温下，又使刀具发生剧烈的扩散磨损。 加工高温合金时， 宜采用偏小的前角 (00-10，以提高切削刃的强度)与偏低的切削速度 (vc

20、30-40 m/min)硬质合金。加工高温合金，切削深度和进给量均宜适当加大，避免切削刃和刀尖划过硬化层。357.高温合金的切削加工性1）高温合金加工特点高温强度高，加工硬化倾向大。 导热性差。导热系数约为45钢1/51/2，切削温度高。 刀具的粘结倾向大（在中低速时，易与刀具发生冷焊磨损在高速时，又使刀具发生剧烈的扩散磨损）。强化元素含量高。金属碳化物、金属间化合物等硬质点，对刀具又强烈的擦伤作用，刀具使用寿命低。 367.高温合金的切削加工性2）改善切削加工性措施A）适当的热处理。对铁基高温合金可采用退火、回火处理 ；对镍基高温合金可采用固溶处理（淬火） 。B）首选一足够的vc以保证加工质量，再选f 、ap。C）选择合适的刀具材料和角度 连续切削：YG6X、YW1 断续切削：M42、501、B201 高速钢刀具：o=15 20、o=12 、r=45 硬质合金刀具：o=5 10、o= 8 15、 r= 45 75、s= -10378. 难加工材料切削技术的新发展 加热切削法 ：用等离子弧对靠近刀尖将要被切除的工件材料进行加热，使其硬度、强度降低，从而改善了切削条件。可以较大幅度地降低切削力。用等离子加热切削法对高硬度、高强度的金属材料进行粗加工是有效的。低温切削法 ：用液氮(-180)或液体CO2 (-76)为切削液，可降低切削区温度。